JP2014129186A - Ceramic slurry and method for producing the same, and solid oxide fuel cell - Google Patents

Ceramic slurry and method for producing the same, and solid oxide fuel cell Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide ceramic slurry and its production method which can pulverize particles composing a ceramic layer, and a solid oxide fuel cell.SOLUTION: Ceramic slurry contains a dispersion medium and ceramic fine particles. The ceramic fine particles has an average particle diameter measured by dynamic light scattering of 100 nm or less, and are contained at 0.1 mass% or more. The ceramic slurry is obtained by crushing ceramic coarse particles using first ceramic balls in a first mixing step and crushing the ceramic coarse particles using second ceramic balls having an average particle diameter smaller than that of the first ceramic balls in a second mixing step.

Description

本発明は、分散媒とセラミック粒子とを含有するセラミックスラリーおよびその製造方法ならびに固体酸化物形燃料電池に関する。   The present invention relates to a ceramic slurry containing a dispersion medium and ceramic particles, a method for producing the same, and a solid oxide fuel cell.

近年、燃料電池セルの研究開発が精力的に進められている。たとえば、固体酸化物形燃料電池セルは、その動作温度が高温であるため発電効率が高く、第三世代の発電システム用のセルとして大いに期待されている。   In recent years, research and development of fuel cells has been vigorously advanced. For example, a solid oxide fuel cell has high power generation efficiency because of its high operating temperature, and is highly expected as a cell for a third generation power generation system.

このような固体酸化物形燃料電池セルは、従来、たとえば、互いに平行な一対の平坦面を有し、内部に燃料ガスを流通させるための燃料ガス流路を有するとともに、Niを含有してなる導電性の多孔質支持基板を有するものが知られている。そして、この多孔質支持基板の一方側主面上には、燃料極層、固体電解質層、酸素極層が順に積層され、他方側主面上にはインターコネクタ層が積層されている。   Such a solid oxide fuel cell conventionally has, for example, a pair of flat surfaces parallel to each other, a fuel gas flow path for allowing fuel gas to flow inside, and containing Ni. One having a conductive porous support substrate is known. A fuel electrode layer, a solid electrolyte layer, and an oxygen electrode layer are stacked in this order on one main surface of the porous support substrate, and an interconnector layer is stacked on the other main surface.

燃料極層および酸素極層は、三層界面・反応表面積を増加させるため、微粒子で構成され、より多くの粒子表面に気体を供給するために微細な気孔を含む多孔質構造が要望されている。燃料極層および酸素極層は、たとえば、多孔質セラミックスによって構成される。   The fuel electrode layer and oxygen electrode layer are composed of fine particles in order to increase the three-layer interface and reaction surface area, and a porous structure including fine pores is required to supply gas to more particle surfaces. . The fuel electrode layer and the oxygen electrode layer are made of, for example, porous ceramics.

多孔質セラミックスは、セラミック粒子と各種添加剤とを分散媒に分散させたスラリーを基板表面に塗布し、熱処理することで形成される。セラミック粒子は、通常大径の粗粒子を粉砕して所望の粒子径の粒子を得ている。   The porous ceramic is formed by applying a slurry, in which ceramic particles and various additives are dispersed in a dispersion medium, to the surface of the substrate and performing a heat treatment. Ceramic particles are usually obtained by pulverizing large-sized coarse particles to obtain particles having a desired particle size.

特許文献1記載の粉砕方法は、固相反応させた仮焼粉を有機溶媒または水溶媒に分散させて高濃度スラリーとし、ジルコニアなどの粉砕メディアを混合して粉砕している。粉砕後に、有機成分などを熱処理で除去したものを原料粉末として使用し、これに溶媒を添加して多孔質セラミックス作製用のスラリーを得る。   In the pulverization method described in Patent Document 1, the calcined powder subjected to the solid phase reaction is dispersed in an organic solvent or an aqueous solvent to form a high-concentration slurry, and pulverization media such as zirconia are mixed and pulverized. After pulverization, a material from which organic components and the like have been removed by heat treatment is used as a raw material powder, and a solvent is added thereto to obtain a slurry for producing porous ceramics.

特許文献1の粉砕方法では、BaTiO粉末を容器に収容し、さらに、水、分散剤と、粒径5mmのセラミックボールを添加し、平均粒子径1μmの原料粉末を得ている。 In the pulverization method of Patent Document 1, BaTiO 3 powder is contained in a container, and water, a dispersant, and ceramic balls having a particle diameter of 5 mm are added to obtain a raw material powder having an average particle diameter of 1 μm.

また、特許文献2記載の粒子の製造方法は、複数の有機金属塩を混合し、熱処理して有機成分を除去するとともに、複数の金属イオンを反応させて結晶化させ、混合粉砕することにより原料粉末を得て、これに有機成分を添加してスラリーを作製する。   Further, the method for producing particles described in Patent Document 2 includes mixing a plurality of organometallic salts, heat-treating them to remove organic components, reacting a plurality of metal ions to cause crystallization, and mixing and grinding. A powder is obtained, and an organic component is added thereto to produce a slurry.

特開平6−279094号公報JP-A-6-279094 特開2004−216544号公報JP 2004-216544 A

しかしながら、特許文献1記載のスラリーでは、スラリー中のセラミック粒子の平均粒子径はせいぜい1μmであり、スラリー中に分散しているセラミック粒子が大きく、燃料極層および酸素極層の原料スラリーとして用いた場合に、セラミックス層の粒径が小さくならず微細気孔の多孔質構造が得られない。   However, in the slurry described in Patent Document 1, the average particle size of the ceramic particles in the slurry is 1 μm at most, and the ceramic particles dispersed in the slurry are large, and used as a raw material slurry for the fuel electrode layer and the oxygen electrode layer. In this case, the particle size of the ceramic layer is not reduced, and a porous structure with fine pores cannot be obtained.

また、特許文献2記載のスラリーでは、原料粉末の粒径を小さくするために、粒成長を抑制しようとすると、原料粉末を合成する温度を低くする必要があり、未反応物の存在や複数の金属イオンによる結晶化が低いという問題が生じる。一方、結晶化度を高くしようとして、合成温度を上げると、原料粉末の粒径が大きくなるという問題がある。   In addition, in the slurry described in Patent Document 2, in order to reduce the particle size of the raw material powder, it is necessary to lower the temperature at which the raw material powder is synthesized in order to suppress grain growth. There arises a problem that crystallization by metal ions is low. On the other hand, when the synthesis temperature is increased in order to increase the crystallinity, there is a problem that the particle size of the raw material powder increases.

本発明の目的は、セラミックス層を構成する粒子の微細化を図ることができるセラミックスラリーおよびその製造方法ならびに固体酸化物形燃料電池を提供することである。   An object of the present invention is to provide a ceramic slurry, a method for producing the same, and a solid oxide fuel cell capable of miniaturizing particles constituting a ceramic layer.

本発明のセラミックスラリーは、分散媒とセラミック微粒子とを含有し、
該セラミック微粒子の動的光散乱法によって測定される平均粒子径が、100nm以下であり、かつ前記セラミック微粒子を0.1質量%以上含有することを特徴とする。
The ceramic slurry of the present invention contains a dispersion medium and ceramic fine particles,
The ceramic fine particles have an average particle diameter measured by a dynamic light scattering method of 100 nm or less, and contain 0.1% by mass or more of the ceramic fine particles.

また、本発明のセラミックスラリーの製造方法は、セラミック粗粒子と、分散媒と、第1セラミックボールとの混合物を容器内に収容し、該容器内の混合物を攪拌する第1混合工程と、
平均径が前記第1セラミックボールより小さい第2セラミックボールを前記容器内に収容し、該第2セラミックボールを含む混合物を攪拌し、前記セラミック粗粒子が粉砕され、動的光散乱法によって測定される平均粒子径が100nm以下のセラミック微粒子が分散媒に分散したセラミックスラリーを作製する第2混合工程と、を具備することを特徴とする。
Further, the method for producing a ceramic slurry of the present invention includes a first mixing step of storing a mixture of ceramic coarse particles, a dispersion medium, and first ceramic balls in a container, and stirring the mixture in the container;
Second ceramic balls having an average diameter smaller than the first ceramic balls are accommodated in the container, the mixture containing the second ceramic balls is stirred, the ceramic coarse particles are pulverized, and measured by a dynamic light scattering method. And a second mixing step of producing a ceramic slurry in which ceramic fine particles having an average particle size of 100 nm or less are dispersed in a dispersion medium.

さらに、本発明の固体酸化物形燃料電池は、固体電解質層と、該固体電解質層の一方の面に配置される酸素極層と、該固体電解質層の他方の面に配置される燃料極層とを含む燃料電池であって、
前記酸素極層が、平均粒子径50〜300nmのLaCoO系セラミックスまたはLaFeO系セラミックスからなるセラミック粒子で構成されており、気孔径が10〜200nmの範囲にある気孔が全気孔の70%以上であることを特徴とする。
Furthermore, the solid oxide fuel cell of the present invention includes a solid electrolyte layer, an oxygen electrode layer disposed on one surface of the solid electrolyte layer, and a fuel electrode layer disposed on the other surface of the solid electrolyte layer. A fuel cell comprising:
The oxygen electrode layer is composed of ceramic particles made of LaCoO 3 ceramics or LaFeO 3 ceramics having an average particle diameter of 50 to 300 nm, and pores having a pore diameter in the range of 10 to 200 nm are 70% or more of the total pores It is characterized by being.

本発明のセラミックスラリーによれば、平均粒子径が100nm以下のセラミック微粒子を0.1質量%以上含有することにより、セラミックス層を構成する粒子の微細化を図ることができる。   According to the ceramic slurry of the present invention, the particles constituting the ceramic layer can be miniaturized by containing 0.1% by mass or more of ceramic fine particles having an average particle diameter of 100 nm or less.

また、本発明のセラミックスラリーの製造方法によれば、第1混合工程で、第1セラミックボールを用いて凝集したセラミック粗粒子を解砕し、第2混合工程で、第1セラミックボールよりも平均径が小さい第2セラミックボールを用いてセラミック粗粒子を粉砕することで、平均粒子径が100nm以下のセラミック微粒子を分散媒に分散させたセラミックスラリーを得ることができる。   In addition, according to the method for producing a ceramic slurry of the present invention, the ceramic coarse particles aggregated using the first ceramic balls are crushed in the first mixing step, and the average is larger than the first ceramic balls in the second mixing step. By crushing the ceramic coarse particles using the second ceramic balls having a small diameter, a ceramic slurry in which ceramic fine particles having an average particle diameter of 100 nm or less are dispersed in a dispersion medium can be obtained.

また、本発明の固体酸化物形燃料電池によれば、酸素極層が、平均粒子径50〜300nmのLaCoO系セラミックスまたはLaFeO系セラミックスからなるセラミック粒子で構成されており、気孔径が10〜200nmの範囲にある気孔が全気孔の70%以上である燃料電池を提供することができる。酸素極層を構成する粒子の粒子径が小さくなることにより、酸素極層における反応表面積が増加することで、反応が促進される。また、酸素極層に小さな気孔が存在することで、酸素極・固体電解質表面への酸素の供給が円滑に進み反応が促進される。 Moreover, according to the solid oxide fuel cell of the present invention, the oxygen electrode layer is composed of ceramic particles made of LaCoO 3 ceramics or LaFeO 3 ceramics having an average particle diameter of 50 to 300 nm, and the pore diameter is 10 It is possible to provide a fuel cell in which pores in the range of ˜200 nm are 70% or more of the total pores. The reaction is promoted by increasing the reaction surface area in the oxygen electrode layer by decreasing the particle diameter of the particles constituting the oxygen electrode layer. Further, since small pores exist in the oxygen electrode layer, the supply of oxygen to the oxygen electrode / solid electrolyte surface smoothly proceeds and the reaction is promoted.

固体酸化物形燃料電池1の構成を示す断面図である。1 is a cross-sectional view showing a configuration of a solid oxide fuel cell 1. FIG. 中間層5および酸素極層6の断面を示す走査型電子顕微鏡(SEM:10万倍)の写真である。2 is a photograph of a scanning electron microscope (SEM: 100,000 times) showing a cross section of an intermediate layer 5 and an oxygen electrode layer 6. 酸素極層の気孔径分布を示すグラフである。It is a graph which shows the pore diameter distribution of an oxygen electrode layer. 酸素極層の各温度での分極抵抗を示すグラフである。It is a graph which shows the polarization resistance in each temperature of an oxygen electrode layer.

<セラミックスラリー>
本発明のセラミックスラリーは、分散媒とセラミック微粒子とを含有しており、このセラミック微粒子の平均粒子径は、動的光散乱法によって測定された平均粒子径で100nm以下であり、かつセラミック微粒子を0.1質量%以上含有するものである。セラミック微粒子は、分散媒中に分散している。
<Ceramic slurry>
The ceramic slurry of the present invention contains a dispersion medium and ceramic fine particles, and the average particle size of the ceramic fine particles is 100 nm or less as an average particle size measured by a dynamic light scattering method, and the ceramic fine particles are It contains 0.1% by mass or more. Ceramic fine particles are dispersed in a dispersion medium.

本発明のセラミックスラリー(以下、単にスラリーということがある)における分散媒は、セラミック微粒子を分散させることができる媒体であればよく、たとえば、有機溶媒または水を用いることができる。有機溶媒としては、セラミックスラリーの作製に一般的に使用されるもの、たとえば、アルコール溶媒を使用でき、セラミック微粒子の分散性を図ることができるという観点からは、メタノールを使用することが好ましい。有機溶媒には、さらに、カチオン性界面活性剤などをセラミック微粒子の分散性向上のために用いることができる。   The dispersion medium in the ceramic slurry of the present invention (hereinafter sometimes simply referred to as slurry) may be any medium that can disperse ceramic fine particles, and for example, an organic solvent or water can be used. As the organic solvent, it is preferable to use methanol from the viewpoint that a solvent generally used for producing a ceramic slurry, for example, an alcohol solvent can be used and the dispersibility of the ceramic fine particles can be achieved. As the organic solvent, a cationic surfactant or the like can be further used for improving the dispersibility of the ceramic fine particles.

セラミックスラリーにおけるセラミック微粒子の含有量は、0.1質量%以上である。スラリー中におけるセラミック微粒子の含有量は、1質量%以上であることが望ましく、上限については、30質量%以下であり、望ましくは20質量%以下、特には10質量%以下が望ましい。スラリー中のセラミック微粒子の含有量の好適範囲は、1〜20質量%であり、望ましくは1〜10質量%である。   The content of the ceramic fine particles in the ceramic slurry is 0.1% by mass or more. The content of the ceramic fine particles in the slurry is desirably 1% by mass or more, and the upper limit is 30% by mass or less, desirably 20% by mass or less, and particularly desirably 10% by mass or less. The suitable range of the content of the ceramic fine particles in the slurry is 1 to 20% by mass, desirably 1 to 10% by mass.

セラミック微粒子の含有量を0.1質量%以上としているのは、セラミック微粒子の含有量が0.1質量%よりも少ないと、スラリーを用いてセラミック層を作製する際に、たとえば、スラリーを複数回塗布しなければ所定の厚みを得ることができず、工程数が多くなるからである。   The content of the ceramic fine particles is set to 0.1% by mass or more. When the content of the ceramic fine particles is less than 0.1% by mass, when a ceramic layer is produced using the slurry, for example, a plurality of slurries are used. This is because a predetermined thickness cannot be obtained unless it is applied twice, and the number of steps increases.

また、スラリー中に分散したセラミック微粒子の平均粒子径は、動的光散乱法によって測定された平均粒子径で100nm以下である。動的光散乱法は、液体の分散媒中に分散しているセラミック微粒子などの粒子にレーザ光を照射し、その散乱光を所定の散乱角に配置した光子検出器で受光し、散乱光強度の自己相関関数から平均粒子径および粒度分布を測定する方法である。動的光散乱法による粒子径の測定範囲は7μm以下とされている。動的光散乱法で測定される粒子径は、分散媒中に分散した粒子の粒子径であるので、セラミック微粒子単体の粒子径と、セラミック微粒子が凝集した凝集粒子の粒子径とが区別なく含まれる。   Moreover, the average particle diameter of the ceramic fine particles dispersed in the slurry is 100 nm or less as an average particle diameter measured by a dynamic light scattering method. In the dynamic light scattering method, laser light is irradiated to particles such as ceramic fine particles dispersed in a liquid dispersion medium, and the scattered light is received by a photon detector arranged at a predetermined scattering angle. This is a method for measuring the average particle size and the particle size distribution from the autocorrelation function. The measurement range of the particle diameter by the dynamic light scattering method is 7 μm or less. The particle size measured by the dynamic light scattering method is the particle size of the particles dispersed in the dispersion medium. Therefore, the particle size of the ceramic fine particles alone and the particle size of the aggregated particles in which the ceramic fine particles are aggregated are included. It is.

動的光散乱法による粒子径の測定は、JIS Z8826に「粒子径解析−光子相関法」として規定されており、本発明のセラミックスラリーに含有されるセラミック微粒子の平均粒子径は、JIS Z8826に準拠した測定方法で測定した平均粒子径である。   The measurement of the particle size by the dynamic light scattering method is defined as “particle size analysis-photon correlation method” in JIS Z8826, and the average particle size of the ceramic fine particles contained in the ceramic slurry of the present invention is in JIS Z8826. It is the average particle diameter measured by a compliant measuring method.

本発明のセラミックスラリーにおけるセラミック微粒子は、LaCoO系セラミックスまたはLaFeO系セラミックスを構成材料とする微粒子を用いることができる。セラミック微粒子の構成材料としては、その他の酸素極を形成する複合酸化物、たとえばLaSrMnOなどであってもよく、さらには、CeO、Gaが固溶したCeO、ZrO、Fe、Al、NiO、Coなどであってもよいことは勿論である。 As the ceramic fine particles in the ceramic slurry of the present invention, fine particles containing LaCoO 3 ceramics or LaFeO 3 ceramics as constituent materials can be used. Examples of the material of the ceramic particles, the composite oxide forming the other oxygen electrode, for example may be an LaSrMnO 3, further, CeO 2, ZrO 2, Fe 2 O 3 to CeO 2, Ga is dissolved Of course, Al 2 O 3 , NiO, Co 3 O 4 and the like may be used.

<セラミックスラリーの製造方法>
次に、本発明のセラミックスラリーの製造方法について説明する。本発明の製造方法は、第1混合工程と第2混合工程の2つの混合工程を具備する。
<Method for producing ceramic slurry>
Next, the manufacturing method of the ceramic slurry of this invention is demonstrated. The production method of the present invention includes two mixing steps, a first mixing step and a second mixing step.

第1混合工程では、所定の容器内に、セラミック粗粒子、分散媒および第1セラミックボールを収容し、これらの混合物を撹拌する。   In the first mixing step, ceramic coarse particles, a dispersion medium, and first ceramic balls are accommodated in a predetermined container, and the mixture thereof is stirred.

第1混合工程における混合物の混合割合は、たとえば、セラミック粗粒子が0.03〜10質量%、第1セラミックボールが55〜75質量%であり、残部を分散媒とする。   The mixing ratio of the mixture in the first mixing step is, for example, 0.03 to 10% by mass of ceramic coarse particles, 55 to 75% by mass of first ceramic balls, and the remainder as a dispersion medium.

セラミック粗粒子は、2つの混合工程を経て、解砕および粉砕されるなどしてセラミック微粒子となるものである。セラミック粗粒子の平均粒子径は、たとえば、0.3〜1μmである。また、セラミック粗粒子の構成材料は、セラミック微粒子と同様の構成材料を用いる。   The ceramic coarse particles are formed into ceramic fine particles by being crushed and pulverized through two mixing steps. The average particle diameter of the ceramic coarse particles is, for example, 0.3 to 1 μm. Further, the constituent material of the ceramic coarse particles is the same constituent material as the ceramic fine particles.

セラミック粗粒子は、熱処理して仮焼合成された粒子について、凝集物を解砕し、粒子を粉砕したものを用いる。たとえば、LaSrCoFeOについては、LaSrCoFeOを構成するLa、SrCO、Co、Feの各粉末を混合し、これを仮焼合成し、ペロブスカイト型結晶であるLaSrCoFeOを得る。そののち、解砕、粉砕して平均粒子径が0.3〜1μmのセラミック粗粒子を得る。平均粒子径は、SEM写真などの顕微鏡写真を撮像し、インターセプト法により求めることができる。 As the ceramic coarse particles, particles obtained by pulverizing the aggregates and pulverizing the particles are used which are heat-treated and calcined and synthesized. For example, for LaSrCoFeO 3 , LaSrCoFeO 3 , La 2 O 3 , SrCO 3 , Co 2 O 3 , and Fe 2 O 3 powders are mixed and calcined and synthesized to form LaSrCoFeO 3 that is a perovskite crystal. Get. After that, pulverization and pulverization are performed to obtain coarse ceramic particles having an average particle size of 0.3 to 1 μm. The average particle diameter can be obtained by taking an optical microscope photograph such as an SEM photograph and using the intercept method.

また、容器内に収容される分散媒は、セラミックスラリーの分散媒となるものが使用される。分散媒としては、セラミックスラリーの作製に一般的に使用されるもの、たとえば、アルコール溶媒を使用でき、セラミック微粒子の分散性を図ることができるという観点からは、メタノールを使用することが好ましい。   Moreover, the dispersion medium accommodated in the container is used as a dispersion medium for the ceramic slurry. As the dispersion medium, it is preferable to use methanol from the viewpoint that a material generally used for producing a ceramic slurry, for example, an alcohol solvent can be used and the dispersibility of the ceramic fine particles can be achieved.

粉砕媒体としての第1セラミックボールとしては、一般的にセラミック粗粒子を混合粉砕するものを使用できる。特に強度および硬度が高いジルコニア系のセラミックボールを用いることができるが、これに限定されるものではない。第1セラミックボールの平均径は、たとえば、1〜4mmである。平均径は、顕微鏡写真を撮像し、インターセプト法により求めることができる。   As the first ceramic balls as the pulverization medium, generally, ceramic pulverized particles can be mixed and pulverized. In particular, zirconia-based ceramic balls having high strength and hardness can be used, but are not limited thereto. The average diameter of the first ceramic balls is, for example, 1 to 4 mm. The average diameter can be obtained by taking a micrograph and using the intercept method.

第1混合工程は、主に、凝集した状態のセラミック粗粒子を解砕する工程であり、セラミック粗粒子を粉砕する必要はないが、セラミック粗粒子の一部が粉砕されてもよい。   The first mixing step is mainly a step of crushing the agglomerated ceramic coarse particles, and it is not necessary to crush the ceramic coarse particles, but a part of the ceramic coarse particles may be pulverized.

第1混合工程では、たとえば、セラミック粗粒子を解砕、粉砕可能であればどのような攪拌混合方法を用いてもよいが、遊星型ミル法で混合物を攪拌することが好ましい。遊星型ミル法は、混合物を収容する容器が自転し、さらに容器が公転する遊星運動によって大きな遠心力を発生させて、容器内の混合物を攪拌混合する。遊星型ミル法を用いることにより、凝集したセラミック粗粒子と第1セラミックボールとの衝突で容易にセラミック粗粒子の凝集を解砕することができる。第1混合工程で遊星型ミル法を用いる場合には、たとえば、自転回転数300〜2000rpm、公転回転数30〜2000rpm、自転/公転比1〜10、攪拌時間0.3〜3時間の条件で攪拌混合する。   In the first mixing step, for example, any stirring and mixing method may be used as long as the ceramic coarse particles can be crushed and pulverized, but it is preferable to stir the mixture by a planetary mill method. In the planetary mill method, a container containing the mixture rotates, and a large centrifugal force is generated by a planetary motion that the container revolves to stir and mix the mixture in the container. By using the planetary mill method, the aggregation of the ceramic coarse particles can be easily crushed by the collision between the aggregated ceramic coarse particles and the first ceramic balls. When the planetary mill method is used in the first mixing step, for example, under the conditions of a rotation speed of 300 to 2000 rpm, a rotation speed of 30 to 2000 rpm, a rotation / revolution ratio of 1 to 10, and a stirring time of 0.3 to 3 hours. Stir and mix.

次に、解砕されたセラミック粗粒子を含有する混合物から、第1セラミックボールを除去する。第1セラミックボールの除去は、容器内の混合物を、セラミック粗粒子は通過するが第1セラミックボールは通過できない粗さのメッシュで篩にかけることにより、メッシュに残った第1セラミックボールを除去することができる。   Next, the first ceramic balls are removed from the mixture containing the crushed ceramic coarse particles. The first ceramic balls are removed by sieving the mixture in the container with a mesh having a roughness that allows the ceramic coarse particles to pass but not the first ceramic balls, thereby removing the first ceramic balls remaining on the mesh. be able to.

第1セラミックボールを除去したあとの混合物、すなわち解砕されたセラミック粗粒子と分散媒との混合物に、第1セラミックボールの平均径よりも小さい平均径の第2セラミックボールを添加する。   The second ceramic balls having an average diameter smaller than the average diameter of the first ceramic balls are added to the mixture after the removal of the first ceramic balls, that is, the mixture of the crushed ceramic coarse particles and the dispersion medium.

第2混合工程では、第2セラミックボールを含む混合物、すなわち解砕されたセラミック粗粒子と分散媒と第2セラミックボールとの混合物を容器内に収容し、混合物を攪拌する。第2混合工程によって、セラミック粗粒子が粉砕され、動的光散乱法によって測定された平均粒子径が100nm以下となるセラミック微粒子が分散媒に分散された本発明のセラミックスラリーが得られる。   In the second mixing step, a mixture containing the second ceramic balls, that is, a mixture of the crushed ceramic coarse particles, the dispersion medium, and the second ceramic balls is placed in a container, and the mixture is stirred. By the second mixing step, the ceramic coarse particles are pulverized, and the ceramic slurry of the present invention in which the ceramic fine particles having an average particle diameter measured by the dynamic light scattering method of 100 nm or less is dispersed in the dispersion medium is obtained.

第2混合工程で粉砕媒体として用いられる第2セラミックボールは、一般的にセラミック粗粒子を混合粉砕可能なものを使用できる。特に強度および硬度が高いジルコニア系のセラミックボールを用いることができるが、これに限定されるものではない。第2セラミックボールの平均径は、第1セラミックボールの平均径よりも小さく、たとえば、0.02〜0.07mmである。第2混合工程では、この比較的径が小さい第2セラミックボールを用いて攪拌することにより、セラミック粗粒子を平均粒子径が100nm以下の微粒子にまで細かく粉砕することができる。   As the second ceramic balls used as the grinding medium in the second mixing step, generally, those capable of mixing and grinding ceramic coarse particles can be used. In particular, zirconia-based ceramic balls having high strength and hardness can be used, but are not limited thereto. The average diameter of the second ceramic balls is smaller than the average diameter of the first ceramic balls, for example, 0.02 to 0.07 mm. In the second mixing step, the ceramic coarse particles can be finely pulverized to fine particles having an average particle size of 100 nm or less by stirring using the second ceramic balls having a relatively small diameter.

第2混合工程では、たとえば、セラミック粗粒子を粉砕可能であればどのような攪拌混合方法を用いてもよいが、遊星型ミル法で混合物を攪拌することが好ましい。遊星型ミル法を用いることにより、解砕されたセラミック粗粒子と第2セラミックボールとの衝突でセラミック粗粒子を粉砕することができる。第2混合工程で遊星型ミル法を用いる場合には、第1混合工程よりも回転数を大きく、攪拌時間を長くし、例えば、自転回転数600〜2000rpm、公転回転数60〜2000rpm、自転/公転比1〜10、攪拌時間0.3〜10時間の条件で攪拌混合する。   In the second mixing step, for example, any stirring and mixing method may be used as long as the ceramic coarse particles can be pulverized, but it is preferable to stir the mixture by a planetary mill method. By using the planetary mill method, the ceramic coarse particles can be pulverized by the collision between the crushed ceramic coarse particles and the second ceramic balls. When the planetary mill method is used in the second mixing step, the rotation speed is larger than that in the first mixing step and the stirring time is increased. For example, the rotation speed is 600 to 2000 rpm, the revolution speed is 60 to 2000 rpm, Stir and mix under conditions of a revolution ratio of 1 to 10 and a stirring time of 0.3 to 10 hours.

最後に、平均粒子径が100nm以下のセラミック微粒子を含有する混合物を、セラミック微粒子は通過するが第2セラミックボールは通過できない粗さのメッシュで篩にかけることにより、メッシュに残った第2セラミックボールを除去し、分散媒にセラミック微粒子が分散されたセラミックスラリーが得られる。   Finally, the mixture containing ceramic fine particles having an average particle diameter of 100 nm or less is sieved with a mesh having a roughness that allows the ceramic fine particles to pass but not the second ceramic balls, thereby leaving the second ceramic balls remaining in the mesh. And a ceramic slurry in which ceramic fine particles are dispersed in a dispersion medium is obtained.

本発明の製造方法では、第1混合工程で、凝集したセラミック粗粒子を解砕し、分散媒中にセラミック粗粒子を分散させることで、粉砕に適した混合物となり、粉砕効率を高めることができる。第2混合工程において、セラミック粗粒子に大きな粉砕エネルギを加えることにより、平均粒子径100nm以下の結晶性の高いセラミック微粒子が0.1質量%以上分散したスラリーを得ることができる。高温にて熱処理を行うと、粒成長が起こり粒子径は大きくなるが、結晶性の高いセラミック粒子が得られる。本発明では、高温にて処理された結晶性の高い粗粒子を粉砕しているため、結晶性の高いセラミック微粒子が得られる。セラミック粒子の結晶性については、X線回折測定装置(XRD)によるメインピークの半値幅などによって確認できる。   In the production method of the present invention, the aggregated ceramic coarse particles are pulverized in the first mixing step, and the ceramic coarse particles are dispersed in the dispersion medium, whereby a mixture suitable for pulverization is obtained and the pulverization efficiency can be increased. . In the second mixing step, a slurry in which 0.1% by mass or more of highly crystalline ceramic particles having an average particle diameter of 100 nm or less are dispersed can be obtained by applying large pulverization energy to the ceramic coarse particles. When heat treatment is performed at a high temperature, grain growth occurs and the particle diameter increases, but ceramic particles with high crystallinity are obtained. In the present invention, since the highly crystalline coarse particles treated at high temperature are pulverized, ceramic fine particles having high crystallinity can be obtained. The crystallinity of the ceramic particles can be confirmed by the half-value width of the main peak by an X-ray diffractometer (XRD).

攪拌混合方法としては、大きな粉砕エネルギを得られるのであれば、遊星ミル法以外に、たとえば回転ミルを比較的高速で回転させてもよい。第2混合工程ではセラミック粗粒子に大きな粉砕エネルギを加える必要があるため、遊星ミル法を用いることが望ましい。   As a stirring and mixing method, for example, a rotating mill may be rotated at a relatively high speed in addition to the planetary mill method as long as large pulverization energy can be obtained. In the second mixing step, it is necessary to apply large pulverization energy to the ceramic coarse particles, and therefore it is desirable to use the planetary mill method.

なお、上記したセラミックスラリーの製造方法では、第1セラミックボールを用いた第1混合工程の後、第2混合工程で第2セラミックボールを用いて混合したが、さらに、平均径が第2セラミックボールよりも小さい第3セラミックボールで混合する第3混合工程を行ってもよい。このような第3混合工程を行うことにより、さらに、セラミック微粒子の平均粒子径を小さくすることができる。   In the above-described method for producing a ceramic slurry, after the first mixing step using the first ceramic balls, the second ceramic balls are mixed in the second mixing step. You may perform the 3rd mixing process mixed with the 3rd smaller ceramic ball. By performing such a third mixing step, the average particle size of the ceramic fine particles can be further reduced.

なお、上記形態では、第2混合工程において第1セラミックボールを除去した後、第2セラミックボールを添加したが、第1セラミックボールを除去することなく、第2セラミックボールを追加した場合であっても粉砕が可能である。   In the above embodiment, the second ceramic ball is added after removing the first ceramic ball in the second mixing step. However, the second ceramic ball is added without removing the first ceramic ball. Can also be crushed.

<固体酸化物形燃料電池>
本発明のセラミックスラリーを用いて作製した固体酸化物形燃料電池について説明する。
<Solid oxide fuel cell>
A solid oxide fuel cell produced using the ceramic slurry of the present invention will be described.

図1は、固体酸化物形燃料電池1の構成を示す断面図である。固体酸化物形燃料電池(以下、単に燃料電池ということがある)1は、図1に示すように、複数の層が積層された構成であり、固体電解質層4の一方の主面に、中間層5を介して酸素極層6が配置され、固体電解質層4の他方の主面に燃料極層3が配置されている。固体酸化物形燃料電池1は、固体酸化物形燃料電池であればどのような形態であってもよく、平板型燃料電池、中空平板型燃料電池、円筒型燃料電池などがある。   FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a solid oxide fuel cell 1. A solid oxide fuel cell (hereinafter sometimes simply referred to as a fuel cell) 1 has a configuration in which a plurality of layers are laminated as shown in FIG. 1, and an intermediate surface is formed on one main surface of the solid electrolyte layer 4. The oxygen electrode layer 6 is disposed via the layer 5, and the fuel electrode layer 3 is disposed on the other main surface of the solid electrolyte layer 4. The solid oxide fuel cell 1 may be in any form as long as it is a solid oxide fuel cell, such as a flat plate fuel cell, a hollow flat plate fuel cell, and a cylindrical fuel cell.

酸素極層6は、平均粒子径50〜300nmのLaCoO系セラミックスまたはLaFeO系セラミックスからなるセラミック粒子で構成された多孔質層であり、気孔径が10〜200nmの範囲内にある気孔が、全気孔の70%以上である。 The oxygen electrode layer 6 is a porous layer composed of ceramic particles made of LaCoO 3 ceramics or LaFeO 3 ceramics having an average particle diameter of 50 to 300 nm, and pores having a pore diameter in the range of 10 to 200 nm 70% or more of all pores.

燃料極層3は、電極反応を生じさせるものであり、多孔性の導電性セラミックスにより形成することが好ましい。たとえば、希土類元素が固溶したZrOまたは希土類元素が固溶したCeOと、Niおよび/またはNiOとから形成することができる。なお、ZrOまたはCeOに固溶させる希土類元素としては、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luを用いることができ、安価であるという点からY、Ybが望ましい。燃料極層3は、例えばYが固溶したZrO(YSZ)とNiおよび/またはNiOとから形成することができる。 The fuel electrode layer 3 causes an electrode reaction and is preferably formed of porous conductive ceramics. For example, it can be formed from ZrO 2 in which a rare earth element is dissolved or CeO 2 in which a rare earth element is dissolved, and Ni and / or NiO. As rare earth elements to be dissolved in ZrO 2 or CeO 2 , Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu are used. Y and Yb are preferable because they can be used and are inexpensive. The fuel electrode layer 3 can be formed from, for example, ZrO 2 (YSZ) in which Y is dissolved, and Ni and / or NiO.

燃料極層3中の安定化ZrOまたは安定化CeOの含有量は、燃料極層3全体に対して、35〜65体積%の範囲にあるのが好ましく、またNiあるいはNiOの含有量は、65〜35体積%であるのが好ましい。さらに、この燃料極層3の気孔率は、15%以上であり、特に20〜40%の範囲にあるのが好ましく、その厚みは、1〜30μmである。気孔率は、断面のSEM写真を2値化処理し、画像解析ソフト(ImageJ)を用いて、画像解析により算出することができる。 The content of stabilized ZrO 2 or stabilized CeO 2 in the fuel electrode layer 3 is preferably in the range of 35 to 65% by volume with respect to the entire fuel electrode layer 3, and the content of Ni or NiO is 65 to 35% by volume is preferable. Further, the porosity of the fuel electrode layer 3 is 15% or more, preferably in the range of 20 to 40%, and the thickness thereof is 1 to 30 μm. The porosity can be calculated by binarizing a cross-sectional SEM photograph and using image analysis software (ImageJ).

固体電解質層4は、3〜15モル%のY、Sc、Ybなどの希土類元素を含有した部分安定化あるいは安定化ZrOからなる緻密質なセラミックスを用いるのが好ましい。また、希土類元素としては、安価であるという点からYが好ましい。さらに、固体電解質層4は、ガス透過を防止するという点から、相対密度(アルキメデス法による)が93%以上、特に95%以上の緻密質であることが望ましく、かつその厚みが5〜50μmであることが好ましい。固体電解質層4は、ランタンガレート系、セリア系等のZrO系以外の固体電解質層であっても良い。 The solid electrolyte layer 4 is preferably made of a dense ceramic made of partially stabilized or stabilized ZrO 2 containing 3 to 15 mol% of a rare earth element such as Y, Sc or Yb. As the rare earth element, Y is preferable because it is inexpensive. Further, the solid electrolyte layer 4 is desirably a dense material having a relative density (according to Archimedes method) of 93% or more, particularly 95% or more in terms of preventing gas permeation, and a thickness of 5 to 50 μm. Preferably there is. The solid electrolyte layer 4 may be a solid electrolyte layer other than ZrO 2 such as lanthanum gallate or ceria.

中間層5は、固体電解質層4と酸素極層6との接合を強固とするとともに、固体電解質層4の成分と酸素極層6の成分とが反応して電気抵抗の高い反応層が形成されることを抑制する目的で形成されている。なお、中間層5は必須の構成ではないので必ずしも設ける必要は無い。   The intermediate layer 5 strengthens the bonding between the solid electrolyte layer 4 and the oxygen electrode layer 6, and the reaction of the component of the solid electrolyte layer 4 and the component of the oxygen electrode layer 6 forms a reaction layer with high electrical resistance. It is formed for the purpose of suppressing this. In addition, since the intermediate layer 5 is not an essential configuration, it is not always necessary to provide it.

ここで、中間層5としては、たとえば、CeとCe以外の他の希土類元素とを含有する組成にて形成することができ、例えば、(CeO1−x(REO1.5(式中、REはSm、Y、Yb、Gdの少なくとも1種であり、xは0<x≦0.3を満足する数)で表される組成を有していることが好ましい。さらには、電気抵抗を低減するという点から、REとしてSmまたはGdを用いることが好ましく、例えば15〜25モル%のSmO1.5またはGdO1.5が固溶したCeOからなることが好ましい。 Here, the intermediate layer 5 can be formed, for example, with a composition containing Ce and another rare earth element other than Ce. For example, (CeO 2 ) 1-x (REO 1.5 ) x ( In the formula, RE is at least one of Sm, Y, Yb, and Gd, and x preferably has a composition represented by 0 <x ≦ 0.3. Furthermore, it is preferable to use Sm or Gd as RE from the viewpoint of reducing electric resistance, for example, it is preferably made of CeO 2 in which 15 to 25 mol% of SmO 1.5 or GdO 1.5 is dissolved. .

酸素極層6としては、LaFeO系セラミックスまたはLaCoO系セラミックスの少なくとも1種が好ましく、600〜1000℃程度の燃料電池作動温度において電気伝導性が高いという点からLaCoO系セラミックスが特に好ましい。なお、前述のペロブスカイト型酸化物においては、Bサイトに、CoとともにFeまたはMnが存在してもよい。 The oxygen electrode layer 6 is preferably at least one of LaFeO 3 -based ceramics or LaCoO 3 -based ceramics, and LaCoO 3 -based ceramics are particularly preferable from the viewpoint of high electrical conductivity at a fuel cell operating temperature of about 600 to 1000 ° C. In the perovskite oxide described above, Fe or Mn may exist together with Co at the B site.

また、酸素極層6は、ガス透過性を有する必要があり、従って、酸素極層6の気孔率は20%以上、特に30〜50%の範囲であることが好ましい。さらに、酸素極層6の厚みは、集電性という点から30〜100μmであることが好ましい。気孔率は、断面のSEM写真(10万倍)を2値化処理し、画像解析ソフト(ImageJ)を用いて、画像解析により算出することができる。   Further, the oxygen electrode layer 6 needs to have gas permeability. Therefore, the porosity of the oxygen electrode layer 6 is preferably 20% or more, particularly preferably in the range of 30 to 50%. Furthermore, the thickness of the oxygen electrode layer 6 is preferably 30 to 100 μm from the viewpoint of current collection. The porosity can be calculated by binarizing a cross-sectional SEM photograph (100,000 times) and image analysis using image analysis software (ImageJ).

酸素極層6は、平均粒子径が50〜300nmのLaCoO系セラミック粒子またはLaFeO系セラミック粒子で構成されており、気孔径が10〜200nmの範囲内にある気孔が全気孔の70%以上である。 The oxygen electrode layer 6 is composed of LaCoO 3 ceramic particles or LaFeO 3 ceramic particles having an average particle diameter of 50 to 300 nm, and pores having a pore diameter in the range of 10 to 200 nm are 70% or more of the total pores. It is.

気孔径が10〜200nmにある気孔の割合(%)は、後述する気孔径分布において、全気孔に対する10〜200nmの気孔径の存在量(%)であり、気孔径の分布曲線と頻度0%の直線とで囲まれる全面積に対して、気孔径の分布曲線と、頻度0%の直線と、気孔径が10nmを示す縦軸に平行な直線と気孔径が200nmを示す縦軸に平行な直線とで囲まれる面積の割合で示される。   The ratio (%) of pores having a pore diameter of 10 to 200 nm is the abundance (%) of the pore diameter of 10 to 200 nm with respect to all pores in the pore diameter distribution described later, and the pore diameter distribution curve and frequency 0%. A pore diameter distribution curve, a straight line with a frequency of 0%, a straight line parallel to the vertical axis indicating a pore diameter of 10 nm, and a vertical axis indicating a pore diameter of 200 nm, for the entire area surrounded by the straight line It is indicated by the ratio of the area surrounded by the straight line.

図2は、中間層5および酸素極層6の断面を示す走査型電子顕微鏡(SEM:10万倍)の写真である。   FIG. 2 is a photograph of a scanning electron microscope (SEM: 100,000 times) showing a cross section of the intermediate layer 5 and the oxygen electrode layer 6.

顕微鏡写真を見ると、酸素極層6はセラミック粒子が集合して構成されており、粒子間の間隙が気孔となってガス透過性を示すことがわかる。   From the micrograph, it can be seen that the oxygen electrode layer 6 is composed of aggregated ceramic particles, and the gap between the particles becomes pores and exhibits gas permeability.

酸素極層6は、中間層5の表面に、本発明のセラミックスラリーを1回または複数回塗布し、熱処理することにより得られる。   The oxygen electrode layer 6 is obtained by applying the ceramic slurry of the present invention once or a plurality of times to the surface of the intermediate layer 5 and performing a heat treatment.

・セラミックスラリーの作製
(第1混合工程)
45mlの容積を有するジルコニア製容器に、セラミック粗粒子としてLa0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8(LSCF)粉末(平均粒子径0.6μm)を1.5質量%、分散媒としてメタノールを27質量%、第1セラミックボールとして平均径2mmのZrOボールを71.5質量%混合し、ジルコニア容器内の混合物を遊星型ミル(P−7:FRITCH社製)にて自転回転数1000rpm、公転回転数500rpm、自転/公転比2、攪拌時間1時間の条件で攪拌を行い、セラミック粗粒子を分散媒中で解砕した。
・ Production of ceramic slurry (first mixing step)
In a zirconia container having a volume of 45 ml, 1.5% by mass of La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 (LSCF) powder (average particle diameter 0.6 μm) as ceramic coarse particles. In addition, 27% by mass of methanol as a dispersion medium and 71.5% by mass of ZrO 2 balls having an average diameter of 2 mm as first ceramic balls were mixed, and the mixture in the zirconia container was put into a planetary mill (P-7: manufactured by FRICH). Then, stirring was performed under the conditions of a rotation speed of 1000 rpm, a rotation speed of 500 rpm, a rotation / revolution ratio of 2, and a stirring time of 1 hour, and the ceramic coarse particles were crushed in a dispersion medium.

(第2混合工程)
篩にて第1セラミックボールとしてのZrOボールを取り除き、解砕されたセラミック粗粒子と分散媒との混合物に、第2セラミックボールとして平均径0.05mmのZrOボール71.5質量%を添加し、上記遊星型ミルを用いて自転回転数1600rpm、公転回転数800rpm、自転/公転比2、攪拌時間1時間の条件にて攪拌を行った。
(Second mixing step)
The ZrO 2 balls as the first ceramic balls are removed with a sieve, and 71.5% by mass of ZrO 2 balls having an average diameter of 0.05 mm as the second ceramic balls are added to the crushed ceramic coarse particles and the dispersion medium. The mixture was added and stirred using the planetary mill under the conditions of rotation speed 1600 rpm, revolution speed 800 rpm, rotation / revolution ratio 2 and stirring time 1 hour.

最後に篩にて第2セラミックボールとしてのZrOボールを取り除き、粉砕されたセラミック微粒子5質量%が分散媒中に分散されたスラリーを得た。スラリー中のセラミック微粒子の平均粒子径をJIS Z8826に準拠して動的光散乱法により測定したところ30nmであった。 Finally, the ZrO 2 balls as the second ceramic balls were removed with a sieve to obtain a slurry in which 5% by mass of the pulverized ceramic fine particles were dispersed in the dispersion medium. The average particle size of the ceramic fine particles in the slurry was 30 nm as measured by a dynamic light scattering method in accordance with JIS Z8826.

上記のようにして得られたスラリーを試料No.1のスラリーとし、表1に示すように、製造条件を変更して試料No.2〜9のスラリーを製造した。   The slurry obtained as described above was prepared as Sample No. As shown in Table 1, the production conditions were changed and Sample No. 2-9 slurries were produced.

なお、試料No.3および試料No.9は、比較例であり、試料No.1,2,4〜8は実施例である。   Sample No. 3 and sample no. 9 is a comparative example, and sample No. 1, 2, 4 to 8 are examples.

比較例の試料No.3は、第2混合工程において、第1混合工程と同じ平均径のセラミックボールを用いており、スラリー中のセラミック微粒子の平均粒子径が200nmであった。比較例の試料No.9は、第2混合工程を実施せず、第1混合工程を24時間実施し、スラリー中のセラミック微粒子の平均粒子径が600nmであった。いずれも、セラミック粗粒子が十分に粉砕されず、平均粒子径が100nm以下のセラミック微粒子が得られなかった。   Sample No. of Comparative Example 3 used ceramic balls having the same average diameter as in the first mixing step in the second mixing step, and the average particle size of the ceramic fine particles in the slurry was 200 nm. Sample No. of Comparative Example In No. 9, the second mixing step was not performed, the first mixing step was performed for 24 hours, and the average particle size of the ceramic fine particles in the slurry was 600 nm. In either case, the ceramic coarse particles were not sufficiently pulverized, and ceramic fine particles having an average particle size of 100 nm or less were not obtained.

実施例の試料No.1,2,4〜8は、全て平均粒子径が100nm以下のセラミック微粒子が得られた。   Sample No. of Example In 1, 2, 4 to 8, ceramic fine particles having an average particle diameter of 100 nm or less were obtained.

・固体酸化物形燃料電池の作製
を8モル%固溶した安定化ZrO(YSZ)からなる固体電解質層の一方の主面に、Gdを20モル%固溶したCeO(GDC)からなる中間層を形成し、他方の面にNiおよびYSZからなる燃料極層を形成した。この後、表1に示すセラミックスラリーを、中間層の一方の主面に塗布し、乾燥する工程を繰り返し、700℃で熱処理して、厚みが50μmの酸素極層を形成し、固体酸化物形燃料電池を得た。
· On one main surface of the solid oxide fuel cell fabrication Y 2 O 3 consisting of 8 mol% solid solution was stabilized ZrO 2 (YSZ) solid electrolyte layer, CeO 2 was dissolved the Gd 20 mol% ( An intermediate layer made of GDC) was formed, and a fuel electrode layer made of Ni and YSZ was formed on the other surface. Thereafter, the ceramic slurry shown in Table 1 is applied to one main surface of the intermediate layer and dried repeatedly, and heat-treated at 700 ° C. to form an oxygen electrode layer having a thickness of 50 μm. A fuel cell was obtained.

酸素極層について、セラミック粒子の平均粒子径、気孔径が10〜200nmの気孔が全ての気孔に占める割合、気孔率、分極抵抗について評価した。   For the oxygen electrode layer, the average particle size of ceramic particles, the proportion of pores having a pore size of 10 to 200 nm in all pores, the porosity, and the polarization resistance were evaluated.

酸素極層を構成するセラミック粒子の平均粒子径は、断面のSEM写真を撮影し、一定の長さの直線を引いて、直線が通る粒子の個数を求め、一定の長さを個数で割った値より算出した(インターセプト法)。   The average particle size of the ceramic particles constituting the oxygen electrode layer was obtained by taking a SEM photograph of a cross section, drawing a straight line of a certain length, obtaining the number of particles passing through the straight line, and dividing the certain length by the number. Calculated from the values (intercept method).

酸素極層の気孔径分布は、図2に示した断面のSEM写真(10万倍)を2値化処理し、画像解析ソフト(ImageJ)を用いて、画像解析により算出した。   The pore size distribution of the oxygen electrode layer was calculated by image analysis using image analysis software (ImageJ) after binarizing the SEM photograph (100,000 times) of the cross section shown in FIG.

図3は、酸素極層の気孔径分布を示すグラフである。横軸は、気孔径(μm)を示し、縦軸は頻度(%)を示す。G1は、実施例である試料No.1を用いて作製した酸素極層の気孔径分布を示し、G2は、比較例である試料No.9を用いて作製した酸素極層の気孔径分布を示している。   FIG. 3 is a graph showing the pore size distribution of the oxygen electrode layer. The horizontal axis indicates the pore diameter (μm), and the vertical axis indicates the frequency (%). G1 is sample No. which is an example. 1 shows the pore size distribution of the oxygen electrode layer produced using No. 1, and G2 shows the sample No. 1 as a comparative example. 9 shows the pore size distribution of the oxygen electrode layer produced using No. 9;

G1は、G2に比べて分布全体が小径側にあり、試料No.1を用いて作製した酸素極層の気孔径は、試料No.9を用いて作製した酸素極層の気孔径よりも小径であることがわかる。   G1 has an overall distribution on the small diameter side compared to G2, and sample No. The pore diameter of the oxygen electrode layer produced using Sample No. 9 can be seen to be smaller than the pore diameter of the oxygen electrode layer produced using No. 9.

気孔径が10〜200nmの気孔が全気孔に占める割合は、気孔径分布において、全気孔に対する10〜200nmの気孔径の存在量(%)であり、図3の分布曲線と頻度0%の直線とで囲まれる全面積に対して、図3の分布曲線と、頻度0%の直線と、気孔径が10nmを示す縦軸に平行な直線と気孔径が200nmを示す縦軸に平行な直線とで囲まれる面積の割合から算出した。   The ratio of the pores having a pore diameter of 10 to 200 nm to the total pores is the abundance (%) of the pore diameter of 10 to 200 nm with respect to all the pores in the pore diameter distribution, and the distribution curve of FIG. The distribution curve of FIG. 3, a straight line with a frequency of 0%, a straight line parallel to the vertical axis indicating a pore diameter of 10 nm, and a straight line parallel to the vertical axis indicating a pore diameter of 200 nm It calculated from the ratio of the area surrounded by.

比較例である試料No.3の割合は65%であり、試料No.9の割合は30%であり、いずれも70%未満で、気孔径が比較的大径に分布していることがわかる。   Sample No. which is a comparative example. 3 is 65%. The ratio of 9 is 30%, and all are less than 70%, and it can be seen that the pore diameter is distributed in a relatively large diameter.

表1に示すように、実施例である試料No.1,2,4,6,7は、割合が全て70%以上であり、気孔径が比較的小径に分布していることがわかる。   As shown in Table 1, sample No. It can be seen that the ratios of 1, 2, 4, 6, and 7 are all 70% or more, and the pore diameter is distributed in a relatively small diameter.

酸素極層の分極抵抗は、次のようにして求めた。ポテンショガルバノスタット内蔵型の周波数応答解析装置(FRA)を用いて、電流をセルに入力し、インピーダンスを求める。また、周波数を変化させ、インピーダンススペクトルを得ることによりNaiquistプロットを作成し、等価回路によるフィッティングにより、酸素極層の分極抵抗を求めた。測定条件は、初期電流0mA、電流振幅0.03mAの条件にて行った。なお、発電時の燃料電池の温度が、500〜800℃で変化しうるため、500℃、600℃、700℃、800℃の各温度雰囲気下で酸素極層の分極抵抗を測定した。   The polarization resistance of the oxygen electrode layer was determined as follows. Using a potentiogalvanostat built-in frequency response analyzer (FRA), current is input to the cell and the impedance is obtained. In addition, a Naiquist plot was created by changing the frequency and obtaining the impedance spectrum, and the polarization resistance of the oxygen electrode layer was obtained by fitting with an equivalent circuit. The measurement conditions were an initial current of 0 mA and a current amplitude of 0.03 mA. In addition, since the temperature of the fuel cell at the time of electric power generation can change in 500-800 degreeC, the polarization resistance of the oxygen electrode layer was measured in each temperature atmosphere of 500 degreeC, 600 degreeC, 700 degreeC, and 800 degreeC.

図4は、酸素極層の各温度での分極抵抗を示すグラフである。横軸は温度の逆数(K−1)を示し、縦軸は分極抵抗(Ωcm)を示す。L1は、実施例である試料No.1を用いて作製した酸素極層の分極抵抗を示し、L2は、比較例である試料No.9を用いて作製した酸素極層の分極抵抗を示している。 FIG. 4 is a graph showing the polarization resistance at each temperature of the oxygen electrode layer. The horizontal axis indicates the reciprocal of temperature (K −1 ), and the vertical axis indicates polarization resistance (Ωcm 2 ). L1 is sample No. which is an example. 1 shows the polarization resistance of the oxygen electrode layer produced using Sample No. 1, and L2 shows Sample No. as a comparative example. 9 shows the polarization resistance of the oxygen electrode layer produced using No. 9.

いずれの温度条件においても、L1がL2を下回っており、試料No.1を用いて作製した酸素極層の分極抵抗は、試料No.9を用いて作製した酸素極層の分極抵抗よりも低いことがわかる。   In any temperature condition, L1 is lower than L2, and sample No. The polarization resistance of the oxygen electrode layer produced using Sample No. 1 It can be seen that it is lower than the polarization resistance of the oxygen electrode layer produced using 9.

1 固体酸化物形燃料電池
3 燃料極層
4 固体電解質層
5 中間層
6 酸素極層
1 solid oxide fuel cell 3 fuel electrode layer 4 solid electrolyte layer 5 intermediate layer 6 oxygen electrode layer

Claims (6)

分散媒とセラミック微粒子とを含有し、
該セラミック微粒子の動的光散乱法によって測定される平均粒子径が、100nm以下であり、かつ前記セラミック微粒子を0.1質量%以上含有することを特徴とするセラミックスラリー。
Containing a dispersion medium and ceramic fine particles,
A ceramic slurry, wherein an average particle diameter of the ceramic fine particles measured by a dynamic light scattering method is 100 nm or less, and the ceramic fine particles are contained in an amount of 0.1% by mass or more.
前記セラミック微粒子が、LaCoO系セラミックスまたはLaFeO系セラミックスからなることを特徴とする請求項1に記載のセラミックスラリー。 The ceramic slurry according to claim 1, wherein the ceramic fine particles are made of LaCoO 3 ceramics or LaFeO 3 ceramics. セラミック粗粒子と、分散媒と、第1セラミックボールとの混合物を容器内に収容し、該容器内の混合物を攪拌する第1混合工程と、
平均径が前記第1セラミックボールより小さい第2セラミックボールを前記容器内に収容し、該第2セラミックボールを含む混合物を攪拌し、前記セラミック粗粒子が粉砕され、動的光散乱法によって測定される平均粒子径が100nm以下のセラミック微粒子が分散媒に分散したセラミックスラリーを作製する第2混合工程と、を具備することを特徴とするセラミックスラリーの製造方法。
A first mixing step of storing a mixture of ceramic coarse particles, a dispersion medium, and first ceramic balls in a container, and stirring the mixture in the container;
Second ceramic balls having an average diameter smaller than the first ceramic balls are accommodated in the container, the mixture containing the second ceramic balls is stirred, the ceramic coarse particles are pulverized, and measured by a dynamic light scattering method. And a second mixing step of producing a ceramic slurry in which ceramic fine particles having an average particle diameter of 100 nm or less are dispersed in a dispersion medium.
前記第2混合工程において、前記容器内から前記第1セラミックボールを除去した後、前記第2セラミックボールを前記容器内に収容し、該第2セラミックボールを含む混合物を攪拌することを特徴とする請求項3に記載のセラミックスラリーの製造方法。   In the second mixing step, after the first ceramic balls are removed from the container, the second ceramic balls are accommodated in the container, and the mixture containing the second ceramic balls is stirred. The method for producing a ceramic slurry according to claim 3. 前記第2混合工程において、前記容器内の第2セラミックボールを含む混合物を遊星型ミル法で攪拌することを特徴とする請求項3または4に記載のセラミックスラリーの製造方法。   5. The method for producing a ceramic slurry according to claim 3, wherein in the second mixing step, the mixture containing the second ceramic balls in the container is stirred by a planetary mill method. 固体電解質層と、該固体電解質層の一方の面に配置される酸素極層と、該固体電解質層の他方の面に配置される燃料極層とを含む燃料電池であって、
前記酸素極層が、平均粒子径50〜300nmのLaCoO系セラミックスまたはLaFeO系セラミックスからなるセラミック粒子で構成されており、気孔径が10〜200nmの範囲にある気孔が全気孔の70%以上であることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
A fuel cell comprising a solid electrolyte layer, an oxygen electrode layer disposed on one surface of the solid electrolyte layer, and a fuel electrode layer disposed on the other surface of the solid electrolyte layer,
The oxygen electrode layer is composed of ceramic particles made of LaCoO 3 ceramics or LaFeO 3 ceramics having an average particle diameter of 50 to 300 nm, and pores having a pore diameter in the range of 10 to 200 nm are 70% or more of the total pores A solid oxide fuel cell characterized by the above.
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